CN103257432A - 一种光电观瞄系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学成像技术领域，具体为一种光电观瞄系统。本发明由位于同一光轴上依次连接的瞄准物镜、分光棱镜、光电成像模组、数字图像处理模组、微显示模组、目镜，以及位于分光棱镜上方的全景周视镜头和与数字图像处理模组相连的液晶显示器组成；本发明的瞄准物镜的成像区域位于全景周视镜头的成像模组圆形盲区，瞄准物镜成像区域的外圆和全景周视镜头的环形区域的内圆相重合，提高了成像模组的利用率；本发明结构简单紧凑，可靠性好，能及时发现目标，可以广泛应用在各种枪械瞄镜、坦克或装甲车火炮周视监测和瞄准、潜艇水面监测、导弹全景跟踪、机器人视觉、虚拟现实技术等领域。

Description

一种光电观瞄系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种同时具有瞄准和周视观察的光学系统。

背景技术

当今的信息化时代对信息获取技术提出了越来越高的要求。在光学成像领域，人们总是希望设计的观瞄镜头具有长焦距、大视场角、大相对口径的成像特点。而镜头的焦距、视场角、相对口径是相互制约的关系，它们共同决定了光学系统的结构形式和光学设计的难易程度。人们期待着打破这种平衡，设计出结构简单、性能良好、成本更低廉的光学系统。传统固定倍率光学观瞄系统视场角小，无法实现对周围目标的观测。拐弯观瞄系统由于观瞄镜可以旋转，增大其观测范围。但是拐弯观瞄系统只能观察到观瞄镜前方的目标，不能对周边的目标进行实时地周视观察。变倍瞄准系统的高倍率小视场作为瞄准之用，低倍率大视场作为捕捉目标之用，能迅速地捕捉目标和准确地瞄准目标。变倍瞄准系统可以大范围地搜索移动的目标，但是结构复杂，在变倍的过程中会丢失目标和影响瞄准精度，且质量大，操作复杂，成本较高，光学性能差。这种装置也无法对周边的目标进行实时地周视观察。

基于上面所述，本发明提出了一种同时具有周视观察和前方瞄准的光电系统，并在瞄准的同时还能对周围环境进行实时观察。

发明内容

本发明的目的是设计一种可用于实时实现前方瞄准和周视观察的光电系统，并解决现有观瞄镜不能对周围环境进行实时观察的问题。

本发明需要解决的技术问题：

针对传统的固定倍率观瞄镜系统在瞄准的同时无法对周围环境进行观察。

针对拐弯观瞄系统结构复杂，操作性不好，无法实时对周围环境进行观察。

针对传统的变倍观瞄镜系统结构复杂，在变倍的过程中会影响瞄准精度，且质量大，操作复杂，成本较高，光学性能差，变倍的过程中会出现目标丢失的情况。

本发明设计的光电系统，其结构原理图如图1所示。其组成包括位于同一光轴上的依次连接的瞄准物镜1、分光棱镜3、光电成像模组4、数字图像处理模组5、微显示模组7、目镜8，以及位于分光棱镜3上方的全景周视镜头2和与数字图像处理模组5相连的液晶显示器6；其中：

所述瞄准物镜1和全景周视镜头2在经过分光棱镜3后光轴重合；全景周视镜头，在光电成像模组上成像为环形区域，中间为圆形盲区，来自光轴方向的光通过瞄准物镜1会聚到光电成像模组4的中间区域，来自360°的周视光线通过全景周视镜头2会聚到光电成像模组4的环形区域。

所述瞄准物镜1的成像区域的外圆和全景周视镜头2的环形成像区域的内圆相重合，以便提高光电成像模组4的利用率；采用单片的光电成像模组4就可以对周围的目标进行实时观察。

所述光电成像模组4所接受的图像经过数字化图像处理模组5最终在微显示模组7上显示图像，观察者通过目镜8对微显示模组7显示的图像进行放大观察，最终实现目标瞄准和周围情况观察；也可以直接通过外接口在液晶显示器6把图像直接提供给其它观察者，以方便操作者对周围目标的瞄准和观察；

本发明中，所述瞄准物镜1主要由一系列正透镜和负透镜组成，且为球面透镜。通过瞄准物镜1的光线在经过分光棱镜3的中心、成像到光电成像模组4中心区域，以便瞄准目标使用。 

本发明中，所述全景周视镜头2是有全景环形透镜21和一系列后继透镜组成。全景环形透镜21把360°周视的光线会聚到全景环形透镜21内部，通过一系列后继透镜的像差校正，在通过分光棱镜3的反射，最终成像在光电成像模组4上，其在光电成像模组4上的成像区域为环形区域。

本发明中，所述周视全景周视镜头2采用旋转轴对称自由曲面，尽量简化后继透镜组的结构，有效地抑制掉杂散光，避免鬼像的产生，进而提高全景镜头的成像质量。

本发明中，所述瞄准物镜1的成像在光电成像模组4的像是倒像，而全景周视镜头2在光电成像模组4上成像为正像，本发明把光电成像模组4倒像的图像进行中心对称变换，得到的瞄准物镜1的图像和全景周视镜头2观察到图像相一致。

本发明中，所述光电成像模组4把所得到图像经过数字化图像处理模块5，把图像和得到周围环境的相关信息输出给微显示模组7，微显示模组7显示的图像可以通过目镜8对其目标进行观看。光电成像模组4的图像可以输出给液晶显示器6进行直接显示，光电成像模组4的图像可以按照观察者的习惯把环形图像进行线性展开。

本发明中，所述光电成像模组4可以为金属氧化物半导体元件CMOS成像模组、电荷耦合器件CCD成像模组等。

本发明中，所述微显示模组7包括液晶显示器LCD、硅基液晶显示器LOCS、数字微镜元件DMD、有源矩阵液晶显示器AMLCD、有机发光二极管OLED、场发射显示器FED、电致发光显示器EL、等离子发光显示器POP等。

本发明的技术优点在于观瞄系统在瞄准的同时，还能对周围环境进行实时观察。提高射击者的安全保障。本发明的全景周视镜头，在光电成像模组上成像为环形区域，中间为圆形盲区；全景周视镜头的环形图像，并不随着瞄准镜的转动而转动，方便实时瞄准和观察周围的目标；瞄准物镜的成像区域位于全景周视镜头的成像模组圆形盲区；瞄准物镜成像区域的外圆和全景周视镜头的环形区域的内圆相重合，提高了成像模组的利用率；全景周视镜头和瞄准物镜通过分光棱镜后成像在单个光电成像模组上，结构简单紧凑。

本发明的有益效果：

本发明解决了传统观瞄系统在瞄准的同时不能对周边环境进行观察，可以实时对周围环境进行观察和瞄准。

本发明仅使用了单片成像模组进行周视观瞄，降低了系统的功耗。在没有外接电源情况下，提高观瞄系统的使用时间。

本发明不需要调焦和变焦装置，就能实现周视观瞄，提高了系统的可靠性，及时发现目标。

本发明的全景周视镜头的设计由于采用了折反成像技术和旋转轴对称自由曲面成像技术，因此具有高分辨率、径向畸变小、进行图像线性展开后不失真。避免传统周视扫描成像存在时间盲点的缺陷。

本发明的全景镜头的全景环形透镜采用光学工程塑料，其结构设计简单易于加工，可以采用金刚石单点车削或者压膜的方法对其旋转轴对称自由曲面进行加工。

本发明的观瞄镜头可以广泛应用在各种枪械瞄镜、坦克或装甲车火炮周视监测和瞄准、潜艇水面监测、导弹全景跟踪、机器人视觉、虚拟现实技术等。

附图说明

图1 周视观瞄镜的原理图。

图2 周视观瞄镜的光学结构图。

图3 瞄准物镜的光学结构图。

图4 全景周视镜头的光学结构图。

图5 分光棱镜。

图6 目镜的光学结构图。

图7 图像处理流程图。

图中标号：1为瞄准物镜；2为全景周视镜头；3为分光棱镜；4为光电成像模组；5为数字化图像处理模组；6为液晶显示器；7为微显示模组；8为目镜；21为全景环形透镜；22为光阑，211为第一折射面；212为第二反射面；213为第一反射面；214为第二反射面；11、23、24、26、82、83、84为正透镜；12、13、25、81为负透镜；85为出瞳；31镀增透膜；32镀半反半透膜。

具体实施方式

如图2所示，本发明的主要的组成包括位于同一光轴上的瞄准物镜1、分光棱镜3、光电成像模组4、数字化图像处理模组5、微显示模组7、目镜8和位于分光棱镜3上方的全景周视镜头2。其中瞄准物镜1和全景周视镜头2在经过分光棱镜3后光轴重合。来自光轴方向的光会通过瞄准物镜1会聚到光电成像模组4的中间区域，来自360°的周视光线通过全景周视镜头2会聚到光电成像模组4的环形区域，采用单片的光电成像模组4就可以对周围的目标进行实时观瞄。光电成像模组4所接受的图像经过数字化图像处理模组5最终在微显示模组7上显示图像，观察者通过目镜8对微显示模组7上的图像进行观察，最终实现瞄准和观察周围的目标；也直接通过液晶显示器6把图像直接提供给观察者，以方便操作者对周围目标的瞄准和观察。

如图2所示瞄准物镜1的成像在光电成像模组4的像是倒像，而全景周视镜头2成像为正像，我们通过数字化图像处理模块5把瞄准物镜1在光电成像模组4的成像区域的图像进行中心对称变换，得到的瞄准物镜1的瞄准图像和全景周视镜头2观察到图像方向相一致。

如图3所示，瞄准物镜1主要包括正透镜和负透镜组成，且都为球面透镜。根据不同的设计要求，其瞄准物镜1的光学系统也不相同。本实施方式采用了三片透镜组成，其中透镜11的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；透镜12的焦距为负，其透明介质为火石玻璃；透镜13的焦距为负，其透明介质为火石玻璃。

如图3所示，瞄准物镜的焦距为120mm，视场角为2°。

如图4所示，全景周视镜头主要由全景环形透镜21、光阑22和一系列后继透镜组成。其中全景环形透镜21由透明介质以及两个折射面和两个反射面组成，绕中心光轴旋转对称。透明介质采用的材料是工程塑料。全景环形透镜21采用旋转轴对称自由曲面，尽量简化后继透镜的结构，有效地抑制掉杂散光，避免鬼像的产生，进而提高全景镜头的成像质量。

如图4所示，其中211为第一折射面，其面型为向外突出的环形旋转轴对称自由曲面；213为第一反射面，其面型为向外突出的环形旋转轴对称自由曲面；212为第二反射面，其面型为向外突出的环形旋转轴对称自由曲面，214为第二折射面，其面型为平面。其中第一折射面211的中心内环边缘和第二反射面212的边缘相接，在实际设计中考虑到加工和装配的需要，将其边缘相接处做成一个与光轴相垂直的小平面，不仅能减少全景光学系统的重量，还能为全景环形透镜21提供了一个加工基准；其中第一反射面213的中心内环边缘与第二折射面214的边缘相接。

如图4所示，一系列后继透镜是由四个不同的透明介质的球面透镜组成，绕中心光轴旋转对称。每个球面透镜都具有自己独立的折射率、阿贝数、曲率半径、厚度和外径尺寸。其中透镜23的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；透镜24的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；透镜25的焦距为负，其透明介质为火石玻璃；透镜26的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃。

如图4所示，全景环形透镜焦距为5mm，视场角为360°×（-5°～15°）。

如图5所示，分光棱镜的透明介质为冕牌玻璃，其中31面镀增透膜，32面透半反半透膜。

如图6所示，本实施方式的目镜8是由四个不同的透明介质的球面透镜组成，绕中心光轴旋转对称。每个球面透镜都具有自己独立的折射率、阿贝数、曲率半径、厚度和外径尺寸。其中透镜81的焦距为负，其透明介质为火石玻璃；透镜82的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；透镜83的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；透镜84的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；85为目镜的出瞳。焦距为26.5mm ，视场角为10°，出瞳距为30mm，出瞳大小为φ8mm。

如图7所示，数字化图像处理模块5包括图像采集模块、图像处理模块、图像算法模块和图像输出模块。光电成像模组4把所得到图像经过数字化图像处理模块5，把图像和得到周围环境的相关信息输出给微显示模组7，微显示模组7显示的图像可以通过目镜8对其目标进行识别瞄准。光电成像模组4的图像可以通过视频输出接口在液晶显示器6上进行直接显示，供周边人员观察。光电成像模组的图像可以按照观察者的习惯把环形图像进行线性展开。

Claims (7)

1. 一种光电观瞄系统，其特征在于由位于同一光轴上依次连接的瞄准物镜、分光棱镜、光电成像模组、数字图像处理模组、微显示模组、目镜，以及位于分光棱镜上方的全景周视镜头和与数字图像处理模组相连的液晶显示器组成；其中： 

所述瞄准物镜和全景周视镜头在经过分光棱镜后光轴重合；全景周视镜头，在光电成像模组上成像为环形区域，中间为圆形盲区，来自光轴方向的光通过瞄准物镜会聚到光电成像模组的中间区域，来自360°的周视光线通过全景周视镜头会聚到光电成像模组的环形区域； 

所述瞄准物镜的成像区域的外圆和全景周视镜头的环形成像区域的内圆相重合，以提高光电成像模组的利用率；采用单片的光电成像模组对周围的目标进行实时观察；

所述光电成像模组所接受的图像经过数字化图像处理模组最终在微显示模组上显示图像；观察者通过目镜对微显示模组显示的图像进行放大观察，最终实现目标瞄准和周围情况观察；或者观察者直接通过外接口在液晶显示器把图像直接提供给其它观察者，以方便操作者对周围目标的瞄准和观察。

2. 根据权利要求1所述的光电观瞄系统，其特征在于所述的瞄准物镜由一系列正透镜和负透镜组成，且为球面透镜；通过瞄准物镜的光线在经过分光棱镜的中心、成像到光电成像模组中心区域，以便瞄准目标使用。

3. 根据权利要求1所述的光电观瞄系统，其特征在于所述的全景周视镜头由全景环形透镜和一系列后继透镜组成；全景环形透镜把360°周边的光线会聚到全景环形透镜内部，通过一系列后继透镜的像差校正，在通过分光棱镜的反射，最终成像在光电成像模组上，其在光电成像模组上的成像区域为环形区域。

4. 根据权利要求3所述的光电观瞄系统，其特征在于所述的全景周视镜头采用旋转轴对称自由曲面。

5. 根据权利要求1所述的光电观瞄系统，其特征在于所述的瞄准物镜的成像在光电成像模组的像是倒像，全景周视镜头在光电成像模组上成像为正像，光电成像模组倒像的图像经过中心对称变换，使得到的瞄准物镜的图像和全景周视镜头观察到图像相一致。

6. 根据权利要求1所述的光电观瞄系统，其特征在于所述的光电成像模组为金属氧化物半导体元件CMOS成像模组，或电荷耦合器件CCD成像模组。

7. 根据权利要求1所述的光电观瞄系统，其特征在于所述的微显示模组为液晶显示器LCD、硅基液晶显示器LOCS、数字微镜元件DMD、有源矩阵液晶显示器AMLCD、有机发光二极管OLED、场发射显示器FED、电致发光显示器EL或等离子发光显示器POP。

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